张 明

车辆制动能量回收领域中液压技术的应用研究论述

张 明

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广州 510403）

由于城市人口、车辆较为集中，车辆需要频繁起步加速、换挡制动，特别是公交车辆，能源消耗量大，环境污染严重。液压技术实现车辆制动能量回收，能提高能量利用率，改善车辆的排放性能，降低对环境的污染程度，达到节能减排的目的。

车辆制动 能量回收 液压技术

随着社会不断进步，经济飞速发展，人们的生活水平日益提高，对车辆运行已提出了新的要求。在新时代下，高速重载是车辆发展的重要方向，因此，车辆需要具有更高的安全性、可靠性、平稳性和较低的能耗量，而这些都和车辆的制动装置具有密不可分的联系。目前，车辆制动装置的类型较多，比如，液压式、气动式，它们具有相同的制动工作原理，都需要充分利用制动装置运行过程中产生的摩擦热，逐渐消耗车辆的动能，实现车辆的减速制动。而在这一过程，车辆能量消耗非常大，环境污染严重。由于液压技术具有机械能、液压能正反转换的功能，在应用到车辆制动能量回收领域后，可以从根本上解决能量回收、再利用的问题，具有较高的能量回收率，能达到节能的效果。

1 车辆制动能量回收系统工作原理

在制动初期，车辆具有一定的动能。通常情况下，这部分能量会被道路阻力、风阻力消耗，但大部分都被制动器以摩擦形式消耗掉。想要回收、再利用这部分动能，需要在车辆传动系统中增加额外的阻力源，使对应的动能可以被转化为液压能，并储藏起来，减少能量消耗，也能减少对环境的污染。就车辆制动能量回收系统而言，双向变量泵-马达是其能量转化装置，皮囊式蓄能器是其能量储存单元。在车辆进行制动时，其中的控制单元会以制动踏板具有的制动强度为纽带，使二通插装阀被打开，双向变量泵-马达会和高压蓄能器相融合。在此基础上，使泵-马达排量发挥作用，合理控制车辆的油压，车辆会在带动泵-马达旋转下，发挥阻力源的作用，把对应的低压液压油转化会高压油，最终，实现车辆制动能量的回收转换。

2 车辆制动能量回收系统存在的问题

该工作原理也具有一定的缺陷性。在车辆制动过程中，并不能回收车辆行驶过程中具有的所有动能，很大一部分能量都在车轮与地面等摩擦过程中转化为对应的热量被消耗了，特别是车辆的制动装置，能量损失非常严重，能量利用率极其低下。在行驶过程中，如果路况比较复杂，车辆需要花费较长的时间频繁进行制动。在这一过程中，车辆的制动副表面会产生一定的热量，使其表面温度急剧升高，以至于车辆制动装置无法发挥应有的制动效果，如果情况严重，制动装置将无法发挥制动作用，车辆行驶也不具有其安全性，容易发生安全事故。此外，在车辆进行制动时，制动装置长期处于频繁工作的状态中，会在一定程度上磨损车轮、制动装置的摩擦片，缩短了零部件的使用寿命。为了保证车辆安全行驶，需要频繁更换车辆的车轮、刹车片，这样会大大增加车辆在维修保养方面的费用支出，不具有经济性。

3 车辆制动能量回收领域中液压技术的应用

在新时代下，汽车已成为人们生活中不可或缺的交通工具。随着汽车保有量日益增加，其负面影响也日趋严重，比如，向空气中排放大量废气，空气质量不断下降。为降低能耗，解决环境污染问题，新能源汽车已成为研究的核心，比如，太阳能汽车、氢能汽车。同时，车辆制动能量回收利用也是研究的重要方向，其可以节约大约50%的能源，极大地提高车辆燃油经济性，使制动器零部件更好地投入到使用中。为此，液压技术被广泛应用到车辆制动能量回收领域，且扮演着关键性角色，具有一定的实践价值。因此，笔者对液压技术在其中的应用予以分析。

3.1 液压系统结构

从某种意义上说，车辆制动能量回收液压系统并不是由单一元素组成，比如，皮囊式蓄能器。具体来说，首先，二通插装阀是液压系统高压蓄能器的开关阀，其高压流量非常大，高达31.5MPa。和传统类型的液压阀相比，二通插装阀较优，运行速度非常快，具有较大的通流能力。最为重要的是，二通插装阀在运行过程中很少发生泄漏现象，能在一定程度上使高压蓄能器效率得以提高。其次，低压蓄能器是液压系统的油箱，它可以使泵—马达的马达运行时，对应的出口产生一定的背压力，而泵工作时，进口处会产生一定的压力，避免泵工作时发出噪音，失去已有的功效。最后，在液压系统运行中，泵—马达主要采用的是高压蓄能器压力油源来合理控制车辆制动的排量，并在一定程度上提高系统自身的灵活性，能有效解决泵—马达在转速较低时无法正常工作的问题，使车辆制动系统结构更加简化，不需要使用车辆外部的动力源。

3.2 系统关键参数设计

对车辆制动能量回收系统来说，提高能量转化效率是其关键所在。具体来说，就是根据车辆制动系统的特点、性质，制定可行的方案，采取有效的措施，使车辆的剩余动能尽可能被吸收，并释放出来。从这方面来说，需要采取可行的控制措施，选择适宜的系统参数。就系统控制对策而言，主要采用的是开关控制。具体来说，在车辆运行中，大多数制动工况都需要使用液压类型的系统制动。但如果情况紧急，需要使用原制动器。此外，在蓄能器压力达到相关数值之前，都需要泵—马达提供大部分功率。在达到相关数值之后，才由发动机提供对应的功率，并充分利用多样化的控制对策，开关控制的操作非常简单。从关键参数来看，车辆制动能量回收系统需要设置五个关键参数，比如，蓄能器的最低工作压力、泵马达的排量。在设计过程中，五个参数所选的数值并不相同，对应的能量转化率也不相同。因而，在设计过程中，需要以能量转换率为基点，对系统进行优化计算。以城市公交车辆为例，如果相关车速下的车辆需要进行制动，其中的液压系统便会吸收车辆已有的动能，并在车辆停止运行的过程中，进行短期的蓄能保压，只需要借助系统中高压油力量驱动车辆。在计算过程中，需要以系统目标函数、优化变量为纽带，以必要的约束条件为媒介，充分利用序列二次规划来进行计算，并对其优化结构进行修正，满足液压系统各方面的需求，使其更好地发挥自身的功能。需要注意的是：在计算过程中，由于车辆制动过程中，最后瞬间的刹车片制动所消耗的能量非常小，不需要考虑该因素的影响。但是，如果回收的能量是其中二次零部件排量最大时，需要把对应的动能转化为液压油回压力能，并储存起来。

3.3 仿真结果

以某种类型的车辆为例，车辆重量为20kN，车速达到每小时60km时，车辆开始制动。经过相关计算后，可以得出对应的结论：

在车辆运行过程中，车辆制动的时间、距离和液压系统蓄能器容积具有密不可分的联系，一旦蓄能器容积增加，其制动时间、距离也会随之发生变化。主要是因为车辆制动时间、距离会受到液压系统压力变化的影响。在车辆运行过程中，蓄能器容积在增加的同时，车辆制动系统的压力会随之增加，增加速度比较缓慢，而蓄能器会吸收更多的动能。从某种意义上说，车辆蓄能器吸收能量和蓄能器的容积、系统压力息息相关。换句话说，在蓄能器运行过程中，随着吸收能量不断增多，车辆制动系统所回收的能量也会随之增加。比如，在车辆运行过程中，蓄能器容积为30L时，车辆制动时间为5.9s，车辆的制动距离为51.2m。在此基础上，车辆蓄能器所吸收的能量比为43.1%，车辆制动能量比为71.9%。需要注意的是：在设计蓄能器时，需要充分考虑相关影响因素，如车辆制动的时间与距离、车辆蓄能器自身的重量。

车辆液压系统工作压力与车辆制动的时间、距离具有某种联系，属于反比例关系。一旦车辆液压系统的工作压力增加，车辆制动时间、制动距离都会缩短。比如，在车辆液压系统工作压力为20MPa时，车辆制动时间为6.5s，制动距离为60.4m。但车辆液压系统工作压力为25MPa时，车辆制动时间为5.9s，小于液压系统压力为20MPa时的制动时间。同时，车辆制动距离为51.2m，也比之前短。

车辆在运行过程中，其制动力、车辆速度之间呈正比例，一旦车辆车轮速度减慢后，制动力的比例也会处于下降趋势。而在车辆运行过程中，并不会发生“抱死”现象。

4 结语

在车辆运行过程中，液压技术的应用具有非常深远的意义。液压技术在车辆制动能量回收中的应用可以在一定程度上提高制动能量利用率，降低车辆运行过程中能源消耗率，保证车辆安全运行。同时，它的利用可以降低车辆内部零部件磨损率，避免经常更换零部件，减少车辆的维修费用。此外，车辆高效回收制动能量具有一定的经济效益、生态效益、社会效益，能充分展现车辆自身的经济价值。从长远来说，车辆制动能量回收、再利用还需要进一步完善，但其必将会走上长远发展的道路，拥有广阔的发展前景。

[1]李晋泽，冯文.车辆制动能量回收利用及控制策略探讨[J].中国管理信息化，2015，（16）：94-95.

[2]林妙山，王玉群，胡文锋.液压储能再生装置在汽车制动中的应用研究[J].液压与气动，2010，（2）：42-44.

[3]赵广俊，吕建刚，滕飞，等.液压储能式制动能量再生系统的效率计算[J].流体传动与控制，2011，（1）：27-31，33.

[4]张子英，张保成.车辆制动能量回收再利用技术研究[J].节能技术，2010，（3）：213-217，235.

[5]张子英，张保成.车辆制动能量回收再利用技术研究[J].节能技术，2010，(3)：213-217，235.

Discussion on the Application of Hydraulic Technology in the Field of Vehicle Braking Energy Recovery

ZHANG Ming
(State Intellectual Property Office Patent Office patent examination cooperation Guangdong Center,Guangzhou 510403)

Due to the urban population, the vehicle is more concentrated, the vehicle needs to start accelerating, shift brake, especially the public transport vehicles, energy consumption, environmental pollution is serious. Subsequently, the hydraulic technology is applied to the vehicle braking energy recovery, can improve the energy utilization rate, improve the vehicle emission performance, reduce the pollution degree of the environment, and achieve the purpose of energy saving and emission reduction.

vehicle braking,energy recovery,hydraulic technology